Labb 1 – Likström och mätteknik
Ohms lag, serie- och parallellkoppling, Kirchhoffs lagar, multimeterns lägen, diod och lysdiod samt felsökning – på klenspänning 12 V.
Syfte och koppling till ämnesplanen
Eleven utför och tolkar mätningar i likströmskretsar med riktiga instrument och jämför med beräknade värden. Labben ger underlag för betygskriterierna om att utföra mätningar på ett säkert sätt, utföra beräkningar och kunskaper om grundläggande komponenter.
| Centralt innehåll (ELLA nivå 1) | Moment |
|---|---|
| Elektriska storheter och samband i likströmskretsar | B, C, D, E |
| Mätning i likströmskretsar med resistiv belastning | A–E |
| Utförande och tolkning av mätningar med olika instrument och metoder | A–G |
| Beräkningar på elektrisk serie- och parallellkoppling | C, D, E |
| Elektriska material och komponenter (halvledare) | F |
Förberedelse i Kraftsmedjan
Eleven ska ha gjort följande moduler före labben:
- Modul 2 – Elektriska storheter och samband, inklusive lektionen Ledare, halvledare och isolatorer
- Modul 3 – Likström
- Modul 6 – Mätning av elektriska storheter (lektion 1–8)
- Modul 7 – Mätinstrument och mätmetoder (lektion 1–10)
- Modul 11 – Serie- och parallellkopplingar (lektion 1–14)
Låt eleverna räkna ut de förväntade värdena i mätprotokollet innan de kommer till labbet.
Utrustning per labbplats
- Labbaggregat 0–30 V DC med justerbar strömbegränsning (ställ den på 0,3 A)
- Två digitala multimetrar (minst en med diodläge)
- Kopplingsplatta eller labbplatta med säkerhetsladdar 4 mm
- Resistorer 100 Ω, 220 Ω och 470 Ω, minst 2 W (100 Ω utvecklar 1,44 W vid 12 V)
- Röd lysdiod (5 mm) och en likriktardiod, till exempel 1N4007
- Strömbrytare eller tryckknapp, några byglar
Säkerhet
Genomförande
A. Resistans – spänningslöst
Mät de tre resistorerna i Ω-läget, var för sig och utan spänning. Jämför med det nominella värdet och toleransen. Mät sedan 220 Ω medan den sitter kvar parallellt med 470 Ω och förklara skillnaden.
B. Ohms lag
Koppla 220 Ω till aggregatet. Ställ in 2, 4, 6, 8, 10 och 12 V, mät spänning och ström för varje värde och rita ett U–I-diagram. Bestäm resistansen ur lutningen.
C. Seriekoppling och Kirchhoffs spänningslag
Koppla 100 Ω, 220 Ω och 470 Ω i serie på 12 V. Mät strömmen på två ställen i kretsen och spänningen över varje resistor. Kontrollera att delspänningarna summerar till källspänningen.
D. Parallellkoppling och Kirchhoffs strömlag
Koppla de tre resistorerna parallellt på 12 V. Mät totalströmmen och grenströmmarna. Kontrollera att grenströmmarna summerar till totalströmmen och räkna ut ersättningsresistansen.
E. Kombinationskoppling
Koppla 100 Ω i serie med 220 Ω ∥ 470 Ω på 12 V. Räkna ut ström och spänningar först, mät sedan.
F. Dioden och lysdioden
- Mät likriktardioden i diodläget i båda riktningarna. Notera framspänningen och vad instrumentet visar i backriktningen.
- Koppla lysdioden i serie med 470 Ω på 12 V. Mät spänningen över lysdioden och strömmen.
- Vänd lysdioden. Mät spänningen över den igen och förklara.
G. Felsökning
Läraren lägger in ett fel i seriekretsen från moment C medan eleverna inte tittar (en lös bygel, en resistor med ett ben utanför kontakten eller fel resistorvärde). Eleverna hittar felet enbart med spänningsmätningar – utan att röra kopplingen – och förklarar hur de resonerade.
Mätprotokoll
A. Resistans
| Resistor | Nominellt (Ω) | Tolerans | Uppmätt (Ω) | Avvikelse (%) |
|---|---|---|---|---|
| R1 | 100 | |||
| R2 | 220 | |||
| R3 | 470 |
B. Ohms lag, 220 Ω
| Inställd U (V) | Uppmätt U (V) | Uppmätt I (mA) | U/I (Ω) |
|---|---|---|---|
| 2 | |||
| 4 | |||
| 6 | |||
| 8 | |||
| 10 | |||
| 12 |
C–E. Serie, parallell och kombination på 12 V
| Storhet | Beräknat | Uppmätt | Kommentar |
|---|---|---|---|
| C: ström I | |||
| C: U över 100 Ω | |||
| C: U över 220 Ω | |||
| C: U över 470 Ω | |||
| D: totalström | |||
| D: I genom 100 / 220 / 470 Ω | |||
| E: ström I | |||
| E: U över 100 Ω | |||
| E: U över parallellgruppen |
F. Dioder
| Mätning | Uppmätt | Tolkning |
|---|---|---|
| 1N4007 diodläge, framriktning | ||
| 1N4007 diodläge, backriktning | ||
| Lysdiod + 470 Ω: U över lysdioden | ||
| Lysdiod + 470 Ω: ström | ||
| Lysdioden vänd: U över lysdioden |
G. Felsökning
| Mätpunkt | Uppmätt U (V) | Slutsats |
|---|---|---|
Förväntade värden (för läraren)
Beräknat med nominella värden och 12 V. Verkliga värden avviker med resistorernas tolerans, aggregatets inställning och instrumentets noggrannhet – och det är en bra diskussionsfråga.
| Moment | Storhet | Värde |
|---|---|---|
| C | Ersättningsresistans | 790 Ω |
| C | Ström | 15,2 mA |
| C | U över 100 / 220 / 470 Ω | 1,52 V / 3,34 V / 7,14 V |
| D | Ersättningsresistans | 60,0 Ω |
| D | Totalström | 200 mA |
| D | I genom 100 / 220 / 470 Ω | 120 mA / 54,5 mA / 25,5 mA |
| D | Effekt i 100 Ω | 1,44 W |
| E | Ersättningsresistans | 250 Ω (220 ∥ 470 = 150 Ω) |
| E | Ström | 48,0 mA |
| E | U över 100 Ω / parallellgruppen | 4,80 V / 7,20 V |
| E | I genom 220 / 470 Ω | 32,7 mA / 15,3 mA |
| F | 1N4007 framriktning i diodläget | cirka 0,5–0,7 V |
| F | Lysdiod + 470 Ω (U_f ≈ 2,0 V) | cirka 21 mA, U över lysdioden 1,8–2,1 V |
| F | Lysdioden vänd | cirka 12 V över lysdioden, ingen ström |
Reflektionsfrågor
- Varför blev resistansen för 220 Ω fel när den satt kvar parallellt med 470 Ω?
- Varför är strömmen lika stor överallt i seriekretsen, men spänningen olika över resistorerna?
- Vilken resistor utvecklade mest effekt i parallellkopplingen, och varför?
- Varför ligger nästan hela spänningen över lysdioden när den är vänd?
- Hur hittade ni felet i moment G? Beskriv metoden så att någon annan kan använda den.
Bedömningsstöd
| E | C | A | |
|---|---|---|---|
| Mätning | Mäter spänning, ström och resistans med rätt läge och ingång, säkert och med stöd | Mäter säkert och självständigt, väljer mätpunkter och kontrollerar rimligheten | Planerar mätningarna, förklarar avvikelser (tolerans, instrumentets inverkan) och felsöker systematiskt |
| Beräkning | Räknar Ohms lag och enkel serie- och parallellkoppling | Räknar kombinationskopplingen och jämför med mätningen | Förklarar skillnader mellan beräknat och mätt kvantitativt och bedömer resultatets tillförlitlighet |
| Komponenter | Beskriver översiktligt diodens funktion | Förklarar framspänning och spärr och varför lysdioden behöver serieresistor | Förklarar sambanden utförligt och nyanserat, med koppling till PN-övergången |